Energy Harvesting: Tauchboot paddelt mit künstlichen Muskeln

Es geht los, wenn das Wasser wärmer wird: Wissenschaftler aus der Schweiz haben ein U-Boot entwickelt, das von einem künstlichen Muskel angetrieben wird, der auf Temperaturveränderungen reagiert. Der Energy-Harvesting-Antrieb soll Wasserfahrzeuge ohne Motor ermöglichen.

Artikel veröffentlicht am 6. Juni 2018, 13:31 Uhr, Werner Pluta

Künstlerische Darstellung des Bootes: erst Temperatur, dann Säuregrad oder Salzgehalt (Bild: Tim Chen/ETH Zürich)

Ein Tauchboot ohne Motor und ohne Schraube: Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich haben ein U-Boot mit einem Antrieb entwickelt, der ohne Treibstoff oder Strom auskommt.

Statt von einem Motor wird es von einer Art künstlichem Muskel angetrieben, der aus zwei Streifen aus einem Polymer mit Formgedächtnis besteht, wie die Forscher in einem Aufsatz in der US-Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences schreiben. Der Kunststoff dehnt sich aus, wenn er erwärmt wird. Auf diese Weise bringt der künstliche Muskel ein Hubelement dazu, umzuklappen und dadurch einen Paddelschlag auszulösen, der das U-Boot vorantreibt. Die Bewegung des Paddels, die Stärke und der Zeitpunkt des Paddelschlags werden durch die Rumpfkonstruktion vorgegeben.

Der erste Prototyp des U-Boots ist knapp acht Zentimeter lang und kommt aus dem 3D-Drucker. Viel kann er nicht: Er kommt nur einen Paddelschlag weit, da sich das Hubelement nicht von allein zurücksetzt, sondern von Hand zurückgesetzt werden muss. Ein zweiter Prototyp hat zwei Paddel und kann einen entsprechend weiteren Weg zurücklegen.

Prototyp Nummer eins hat einen Greifer, der eine Münze hält. Dieser wird wie das Paddel über einen künstlichen Muskel aktiviert. Die Forscher um Kristina Shea haben gezeigt, dass das Boot einen Bewegungsablauf durchführen kann: Es fährt einen Paddelschlag weit, setzt die Münze ab und fährt wieder einen Paddelschlag weit zum Ausgangspunkt zurück. Die Reihenfolge, in der die Aktionen durchgeführt werden, wird durch die Dicke der Kunststoffstreifen definiert: Ein dünner Streifen erwärmt sich schneller und reagiert entsprechend eher als ein dickerer

"Das Zentrale unserer Arbeit ist, dass wir eine neue und vielversprechende Antriebsart entwickelt haben, die vollständig 3D-gedruckt ist und ohne externe Stromquelle auskommt", sagt Shea. Damit könnte beispielsweise ein Unterwasserfahrzeug für die Meereserkundung angetrieben werden. Da die künstlichen Muskeln auf Änderungen in der Umgebungstemperatur reagieren, kommt das Boot ohne Treibstofftank oder Akku aus.

Am Antrieb müssen Shea und ihre Kollegen allerdings noch feilen: Wird das Paddel einfach in Ausgangsstellung zurückgezogen, bewegt es das Boot um den gleichen Weg in die Gegenrichtung. Vor allem wollen die Forscher aber am Kunststoff arbeiten: Es könnten Kunststoffe zum Einsatz kommen, die statt auf die Temperatur beispielsweise auf den Säuregrad oder den Salzgehalt des Wassers reagieren.